DE3428007A1

DE3428007A1 - Kolben mit spezieller formgebung und kolbenringbestueckung

Info

Publication number: DE3428007A1
Application number: DE19843428007
Authority: DE
Inventors: Jordan Dipl.-Ing. Gentscheff; Karl Dipl.-Ing. 8900 Augsburg Wojik
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1984-07-28
Filing date: 1984-07-28
Publication date: 1986-02-06
Also published as: KR860001284A; FR2568313B1; DE3428007C2; FI78769B; FI852889A0; FR2568313A1; JPH0525024B2; FI852889L; FI78769C; JPS6140448A

Description

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Kolben mit spezieller Formgebung und Kolbenringbestückung

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer schwerölbetriebenen Brennkraftmaschine mit mindestens drei in Ringnuten sitzenden Kompressionsringen.

Die Erfindung geht aus von einem Kolben mit einer Kolbenringbestückung, bei der zumindest der brennraumnächste Kompressionsring einen gasdichten Stoß aufweist. Hierdurch soll verhindert werden, daß Verbrennungsgase aus dem Brennraum in den Triebwerksraum gelangen können.

Bei einem solchermaßen bestückten Kolben ist zwar

das Gasdurchströmen weitestgehend unterbunden, die mechanische Belastung des gasdichten Kompressionsringes ist jedoch enorm hoch, weil an ihm praktisch immer der volle Zünddruck sowohl in radialer als auch in axialer Richtung wirksam wird. Durch diese an einem solchen gasdichten Kompressionsring angreifenden Gaskräfte ist ein relativ hoher Verschleiß sowohl am Kolbenring als auch der Zylinderlauffläche zumindest im Bereich des oberen Kolbenumkehrpunktes nicht vermeidbar. Wenn der brenn-

raumnächste Kompressionsring mit einem gasdichten Stoß versehen ist, sind die diesem in Richtung Triebwerksraum nachfolgenden Kompressionsringe praktisch druckentlastet bzw. nur schwach belastet, so daß diese im
Betrieb zum sogenannten "Flattern" neigen, mit der Folge, daß deren Funktion als Dicht- und Ölverbrauchsregulie-

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rungsorgane nahezu vollständig verlorengeht. Bei schwer*- ölbetriebenen Brennkraftmaschinen tritt nun das Problem auf, daß bei Verbrennung von in seiner Qualität vergleichsweise äußerst schlechtem Schweröl Rück stände, wie sogenannte ¹¹C atf ines", carbonate und dgl. anfallen, die sich an der Zylinderlauffläche niederschlagen und im Betrieb sich mit dort befindlichem Schmieröl verbinden. Diese Rückstände werden im Falle der Verwendung eines brennraumnächsten Kompressiongsringes mit gasdichtem Stoß von diesem beim Arbeitshub des KoI-bens zusammen mit dem Schmieröl von der Zylinderlauffläche abgezogen; eine relativ starke Verschmutzung des Schmieröls ist daher kaum vermeidbar. Eine weitere Folge davon ist, daß der Schmierölverbrauch der Brennkraftmaschine nach oben geht, weil der mit solchen Rückstandspartikeln durchsetzte Schmierölschlamm relativ oft durch neues Schmieröl ersetzt werden muß.

Es ist daher Ziel und Aufgabe der Erfindung, einen Kolben zu schaffen, durch dessen Form und Kolbenringbestückung es gelingt, daß einerseits die gewünscht hohe Dichtwirkung sichergestellt ist, andererseits im Arbeitshub des Kolbens der an der Zylinderlauffläche haftende Schmierölfilm so abstreifbar ist, daß der Verschmutzungsgrad des Schmieröles möglichst gering zu halten ist.

Diese Aufgabe ist bei einem Kolben der eingangs genannten Art durch eine spezielle Ausbildung desselben und besondere Kolbenringbestückung mit im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Details dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele derselben dargelegt. In der Zeichnung zeigen:

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Fig.1 einen Ausschnitt aus einem Kolben nach

der Erfindung mit drei Kompressionsringen,

Fig.2 einen Ausschnitt aus einem Kolben nach

der Erfindung mit vier Kompressionsringen .

In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende 1ü Teile bzw. Details derselben mit gleichen Bezugszeichen angezogen.

In den Figuren ist mit 1 eine Zylinderlauffläche an der Innenseite eines Zylinders oder einer Zylinderbuchse 2 und mit 3 ein Kolben einer schwerölbetriebenen Zwei-Taktoder Vier-Takt-Brennkraftmaschine bezeichnet. Mit X_Q ist in den Figuren zwischen Pfeilen der das Kolbenspiel vorgebende Abstand zwischen Kolbenaußenseite 4 und Zylinderlauffläche 1 bezeichnet. Mit 5 ist eine im Kolben 3

2ö ausgebildete Ringnut und mit 6 ein oberster, also brennraumnächster Kompressionsring bezeichnet. Mit 7 ist eine ebenfalls im Kolben 3 ausgebildete Ringnut und mit 8 ein darin eingesetzter, zum Triebwerksraum hin unterster Kompressionsring bezeichnet. Mit 9 ist eine ebenfalls im Kolben 3 ausgebildete Ringnut und mit 1 0 der zum Triebwerksraum hin vorletzte Kompressionsring bezeichnet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1 bilden die Kompressionsringe 6, 8, 10 die komplette Kompressionsringbestückung, während beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 zwischen dem obersten Kompressionsring 6 und dem vorletzten Kompressionsring 10 noch ein weiterer, in einer Ringnut 11 eingesetzter Kompressionsring 12 vorhanden ist, also in diesem Fall die Kompressionsringbestückung des Kolbens aus vier Kompressionsringen besteht. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch nicht auf eine Kompressionsringbestückung, bestehend aus drei oder vier Kompressionsringen, beschränkt; die Erfindung

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kann gleichermaßen auch bei mehr als vier Kompressionsringe aufweisenden Kolben realisiert sein.

In den Figuren ist weiterhin ein zwischen der Ringnut 5 für den obersten Kompressionsring 6 und der Ringnut 9 bzw. 11 für den zum Triebwerksraum hin nachfolgenden Kompressionsring 10 bzw. 12 am Kolben verbleibender Steg mit 13 und zwischen Pfeilen mit X₁ der Abstand zwischen der Außenseite 14 dieses Steges 13 und der Zylinderlauffläche 1 bezeichnet. Mit 15 ist ein zwischen der Ringnut 9 für den vorletzten Kompressionsring und der Ringnut 7 für den untersten Kolbenring am Kolben verbleibende Stec und mit X-, bzw. Xp ,. der Abstand zwischen der Außenfläche des Steges 15 und der Zylinderlauffläche 1 gegeben. In Fig.2 ist beim dortigen Ausführungsbeispiel zwischen der Ringnut 11 und der Ringnut 9 ein Steg 17 am Kolben 3 gegeben, zwischen dessen Außenfläche 18 und der Zylinderlauffläche 1 ein mit X₀ _/0 bezeichneter und zwischen Pfeilen aufgenommener Abstand gegeben ist.

Der Kolben 3 weist erfindungsgemäß eine besondere Ge-

staltuna und Kolbenringbestückunq mit speziellen, nachfolgend beschriebenen Merkmalen auf.

Bei der erfindungsgemäßen Kolbenringbestückung besitzt nur der zum Triebwerksraum hin unterste Kompressionsring 8 einen gasdichten Stoß; außerdem ist dieser unterste Kompressionsring 8 durch einen, einen Minutenwinkel oC von 0,5° bis 2° aufweisenden Minutenring gebildet, der unten eine kleine Außenfase 19 aufweist. Der innerhalb der erfindungsgemäßen Kolbenringbestückung brennraumnachste Kompressionsring weist eine asymmetrisch winklig oder ballige Lauffläche 20 mit abgerundetem Übergang 21 zur Ringunterflanke und außerdem einen nicht gasdichten Stoß auf. Letzterer ist zwar nicht dargestellt aber in seiner Art an sich bekannt; es handelt sich dabei um

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einen den Kolbenring radial durchdringenden Querschlitz, so daß die beiden Ringenden mit etwa planparallelen Flächen etwas beabstandet zueinander stehen.

Der innerhalb der erfindungsgemäßen Kolbenringbestückung zum Triebwerksraum hin vorletzte Kompressionsring 10 ist ebenfalls durch einen Minutenring gebildet, der auch einen nicht gasdichten Stoß, wie vorstehend erläutert, einen Minutenwinkel |3 von 0,5° bis 2° und außerdem einen kurzen zylindrischen Laufflächenabschnitt 22 aufweist, an den sich unten eine Außenfase 23 (wie im Fall des Beispiels gemäß Fig.1) oder eine Hohlkehle 24 (wie im Fall des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.2 dargestellt) mit einer bis zu 40% der Ringhöhe betragenden Höhe anschließt.

Entsprechend einem weiteren Kriterium der Erfindung sind die Abstände X₁ und X-,„ der Außenfläche 14, 18 eines zwischen dem obersten (6) und vorletzten Kompressionsring 10 befindlichen Steges 14, 17 zur Zylinderlauffläche 1 gleich dem oder geringfügig größer als der das Kolbenspiel vorgebende Abstand X„ zwischen Kolbenaußenseite 4 und Zylinderlauffläche 1 . Außerdem entsprechen die Abstände X„ bzw. X- ,. der Außenfläche des zwischen dem vorletzten (10) und untersten Kompressionsring 8 angeordneten Steges 15 und der Zylinderlauffläche 1 etwa dem 2fachen des Abstandes X« zwischen Kolbenaußenseite 4 und Zylinderlauffläche 1 . Hierdurch ergeben sich zwischen den einzelnen Kompressionsringen von oben nach unten gesehen zunehmend größere wirksame Gasaufnahmevolumen V_?, V, (im Falle des Beispiels gemäß Fig.1) bzw. V₂/2' ^V2/1' ^V3 *^{im Fal}l^{e des} Beispiels gemäß Fig.2).

Entsprechend einem weiteren Kriterium der Erfindung schließt sich an die den untersten Kompressionsring 8

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aufnehmende Ringnut 7 unmittelbar eine am Kolben umlaufende Aussparung 25 an, deren Boden 26 um ein Maß X^, das etwa dem 3- bis 4fachen des zwischen Kolbenaußenseite 4 und Zylinderlauffläche 1 gegebenen Abstandes X_Q entspricht, von der Zylinderlauffläche beabstandet ist.

Entsprechend einem weiteren Kriterium der Erfindung besitzt das zwischen dem vorletzten Kompressionsring 10 und dem vorherigen Kompressionsring 6 bzw. 12 gegebene ^O Gasaufnahmevolumen V₂ (im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.1) bzw. V₂Z₁ (im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.2) eine Größe, die etwa dem 2fachen der Größe jenes Volumens V₁ entspricht, das den brennraumnächsten Kompressionsring 6 in dessen Ringnut 5 umgibt..

Das zwischen dem vorletzten (10) und untersten Kompressionsring 8 gegebene Gasaufnahmevolumen V^ kann geringfügig kleiner oder gleich oder geringfügig größer dem den obersten Kompressionsring 6 in dessen Ringnut 5 umgebenden Gasaufnahmevolumen V₁ sein. Das im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.2 zwischen dem obersten (6) und zweiten Kompressionsring 12 gegebene Gasaufnahmevolumen V„ ,_ kann kleiner oder gleich dem Gasaufnahmevolumen V» ,.. sein.

Die gegenüber dem Abstand X„ größeren Abstände X« und X₂ Z₁ und Xo/o und gegebenenfalls auch X₁ und auch die Aussparung 25 sind durch Abdrehungen des Kolbens 3 in diesem Bereich realisiert.

Die Höhe der Außenfase 19 am untersten Kompressionsring 8 beträgt 5 bis 30 % der Ringhöhe. Außerdem kann der unterste Kompressionsring 8 ebenso wie der vorletzte (10) einen kurzen zylindrischen Laufflächenabschnitt aufweisen; ein solcher Laufflächenabschnitt ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 vorhanden und dort mit 27 bezeichnet .

Wenn die Kolbenringbestückung an einem Kolben aus mehr als drei Kompressionsringen besteht, also beispielsweise wie im Beispiel gemäß Fig.2 gezeigt aus vier Kompressionsringen, weist generell jeder zwischen dem obersten (6) und zum Triebswerksraum hin vorletzten (10) angeordnete Kompressionsring 12 einen nicht gasdichten Stoß auf ; außerdem kann dieser Kompressionsring 12 eine beliebig gestaltete Lauffläche 28 besitzen.

Die Hohlkehle 24 am vorletzten Kompressionsring 10 kann (falls diese anstelle der Außenfase 23 vorhanden ist), wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 gezeigt, eine konkave Ringfläche aufweisen oder aus rechtwinklig oder stumpfwinklig zueinanderstehenden Ringflächen bestehen.

Schließlich kann, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 gezeigt, im Bereich der unterhalb des untersten Kompressionsringes 8 angeordneten Aussparung 25 in den Kolben eine Ringnut 29 eingedreht und in dieser ein an die Zylinderlauffläche 1 angedrückter Ölabstreifring 30 eingesetzt sein.

Durch die erfindungsgemäße spezielle Ausbildung des Kolbens und spezielle Kolbenringbestückung desselben ist eine Entlastung des brennraumnächsten Kompressionsringes und gleichzeitig eine gezielte Belastung der diesem zum Triebwerksraum hin nachfolgenden Kompressionsringe erzielbar. Ein Durchströmen von Abgas aus dem Brennraum in Richtung Triebwerksraura ist damit weitestgehend unterbunden. Die im Bereich der Kompressionsringe zwischen denselben gegebenen Gasaufnahmevolumina werden außerdem durch Spül- bzw. Ladeluft aufgefüllt und entleert; die Kompressionsringe und Ringstege bleiben deshalb sauber und verlacken nicht. Außerdem heizen sich die Stöße der Kompressionsringe weniger auf. Versuche haben gezeigt, daß an einem nach der Erfindung

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gestalteten und bestückten Kolben gegenüber einem Kolben mit Normalringbestückung, bei der der brennraumnächste Kolbenring einen gasdichten Stoß aufweist, der brennraumnächste Kömpressionsring mit wesentlich geringerem wirksamen Gasdruck an die Zylinderlauffläche angepreßt wird, gleichzeitig aber die zum Triebwerksraum hin folgenden Kompressionsringe vergleichsweise stärker beaufschlagt werden, wobei der hinter diesen Kompressionsringen in Radialrichtung wirksame Gasdruck

1Ö etwa den 2- bis 3faChen Wert annehmen kann. Die daraus resultierende radiale Anpreßkraft erhöht sich zusätzlich noch um bis zu etwa 40% durch das Vorsehen einer Außenfase an den Kompressionsringen. Dies ist jedoch nur möglich geworden, weil erst der zum Triebwerksraum hin unterste Kompressionsring einen gasdichten Stoß besitzt. Es ist damit in Verbindung mit einer Optimierung der Gasaufnahmevolumen zwischen den einzelnen Kompressionsringen eine Druckverteilung erzielbar, die eine ausgezeichnete Stabilisierung derselben in ihren Ringnuten bewirkt. Im gesamten Arbeitstakt werden alle, also auch die unterhalb des brennraumnächsten angeordneten Kompressionsringe stabil auf die jeweils untere Ringnutflanke gepreßt, was wiederum eine gute Anpressung der Ringlaufflächen an die Zylinderlauffläche und damit eine optimale Ölabstreifwirkung im gesamten Arbeitshub des Kolbens sicherstellt, mit der Folge, daß eine große Menge relativ sauberen Schmieröls von der Zylinderlauffläche abgezogen und in Richtung Triebwerksraum gefördert werden kann. Andererseits ist infolge der Phasenverschiebung der Druckbeaufschlagung der einzelnen Kompressionsringe von oben nach unten und richtige Wahl der einzelnen Gasaufnahmevolumina ^V2' ^V2/1' ^V2/2 ^und insbesondere V₃ gewährleistet, daß beim Ausschiebetakt des Kolbens eine Gasströmung innerhalb des erfindungsgemäßen Kolbenringpaketes von

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unten in Richtung Brennraum stattfinden kann. Diese Strömung bewirkt, daß Schmutzpartikel, die im an der Zylinderlauffläche noch haftenden Schmierölfilm eingelagert sind, mit letzterem in Richtung Brennraum befördert werden.

Aus all diesem wird deutlich, daß sich mit einem nach der Erfindung gebauten Kolben der Ölverbrauch reduzieren läßt. Das Reinhalten und Regenerieren des Schmieröls 0 ist auch bei sehr schlechten Brennstoffqualitäten auf einfache Weise möglich.

Claims

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Patentansprüche:

Kolben einer schwerölbetriebenen Brennkraftmaschine, mit wenigstens drei in Ringnuten eingesetzten Kompressionsringen, gekennzeichnet durch eine spezielle Formgebung und Kolbenringbestückung, dergestalt, daß ' nur der zum Triebwerksraum hin unterste Kompressionsring (8) einen gasdichten Stoß besitzt und ansonsten durch einen Minutenring mit kleiner Außenfase (19) und einen MinutenwinkelCC von 0,5° bis 2° gebildet ist, während

der brennraumnächste Kompressionsring (6) eir>o asymmetrisch winklig oder ballige Lauffläche (20) mit abgerundetem Übergang (21) zur Ringunterflanke und einen nicht gasdichten Stoß auf

weist, und

der zum Triebwerksraum hin vorletzte Kompressionsring (1Ö) durch einen Minutenring gebildet ist, der einen nicht gasdichten Stoß, einen Minutenwinkel β von 0,5° bis 2° und außerdem einen kurzen zylindrischen Laufflächenabschnitt (22) aufweist, an den sich unten eine Außenfase (23) oder eine Hohlkehle (24) mit einer bis zu 40% der Ringhöhe betragenden Höhe anschließt, daß ferner der Abstand X,, X₂/2 ^{der Außenfl}äche (14 bzw. 18) eines zwischen dem obersten (6) und vorletzten Kompressionsring (10) befindlichen Steges (13 bzw. 17) zur Zylinderlauffläche (1) gleich dem oder geringfügig größer als der das Kolbenspiel vorgebende Abstand X„ zwischen Kolbenaußenseite (4) und Zylinderlauffläche (1 ) ist,

daß außerdem der Abstand X₂, X₂Z₁ ^der Außenfläche (16) des zwischen dem vorletzten (10) und untersten Kompressionsring (8) angeordneten Steges (15) und der Zylinderlauffläche (1) etwa dem zweifachen des Abstandes X₀ zwischen Kolbenaußenseite (4) und Zylinderlauffläche (1) entspricht,

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daß weiterhin sich an die den untersten Kompressionsring (8) aufnehmende Ringnut (7) unmittelbar eine am Kolben (3) umlaufende Aussparung (25) anschließt, deren Boden (26) um das Maß X^, das etwa dem 3- bis 4fachen des zwischen Kolbenaußenseite (4) und Zylinderlauffläche (1) gegebenen Abstand Xq entspricht, von der Zylinderlauffläche (1) beabstandet ist, und,
daß schließlich das zwischen dem vorletzten (10) und davor angeordneten Kompressionsring (6, 12) gegebene Gasaufnahmevolumen V- bzw. V~ /, etwa dem 2fachen des den obersten Kompressionsring (6) in dessen Ringnut (5) umgebenen Gasaufnahmevolumen V. entspricht.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Außenfase (19) am untersten Kompressionsring (8) etwa 5 bis 30% der Ringhöhe beträgt.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Kompressionsring (8) ebenso wie der vorletzte (10) einen kurzen zylindrischen Laufflächenabschnitt (27) aufweist.

4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als drei Kompressionsringen jeder zwischen dem obersten (6) und zum Triebwerksraum hin vorletzten (10) angeordnete Kompressionsring (12) einen nicht gasdichten Stoß und eine beliebig gestaltete Lauffläche (28) aufweist.

5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkehle (24), falls diese anstelle der Außenfase (23 ) vorgesehen ist, eine konkave Wandfläche aufweist oder aus rechtwinklig oder stumpfwinklig zueinanderstehenden Ringflächen besteht.

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j Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der unterhalb des untersten Kompressionsringes (8) angeordneten Aussparung (25) in den Kolben (3) eine Ringnut (29) eingedreht und in dieser Ringnut ein an die Zylinderlauffläche (1) angedrückter Ölabstreifring (30) eingesetzt ist.

7. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen dem untersten (8) und vorletzten Kompressionsring (10) gegebene Gasaufnahmevolumen V₃ geringfügig kleiner oder gleich oder geringfügig größer dem den obersten Kompressionsring (6) in dessen Ringnut (5) umgebenden Gasaufnahmevolumen V. ist.